生长素的极性运输在拟南芥根系机械响应中的作用

摘要

根器官是植物从土壤环境吸收生长发育所需的水分和养分的基础。机械刺激贯彻植物根系发育始终，其中包括土壤颗粒对根器官的阻挡，挤压及摩擦等。机械刺激可以显著影响植物根系形态的建成。然而，植物的根器官如何准确感受土壤中机械刺激并做出适当的响应，从而实现在局部土壤环境中的适应性生长目前还不清楚[1]。除了根器官，机械刺激也可以对植物地上部分的生长发育进行可塑性的调节。植物体的不同部位很可能通过类似的分子细胞机理进行机械信号转导和响应[2-3]。因此，研究根系机械响应行为及相应分子机理对植物力生物学的发展以及机械刺激在农业生产中的应用具有重大的理论价值和指导意义。
　　植物通过体内的信号转导系统感受、传递外界环境信号，并通过激素互作、基因表达网络调控等实现不同环境信号及内源发育信号间的有机整合[4]。生长素是调控植物器官发育模式的重要激素分子，其生理作用很大程度上依赖于其在植物组织内的极性运输及局部浓度梯度的形成。目前植物响应机械刺激的研究主要集中在机械刺激影响植物生长发育、形态建成、生理生化过程等方面，但在生长素极性运输和机械刺激的响应机制方面相关报道较少。本文结合植物生理学与生物物理学的理论和方法，利用物理学和植物学的学科交叉点优势，通过对根施加接触机械刺激、添加生长素极性运输抑制剂等手段，探讨了生长素极性运输在受持续机械刺激的拟南芥根系的生长发育中的作用。
　　本研究第一部分建立机械刺激的方法，采用不可穿透琼脂倾斜培养拟南芥，琼脂浓度分别为8g/L、10g/L、12g/L、14g/L、16g/L、18g/L、20g/L、22g/L，通过拟南芥主根生长量以及曲率比挑选适宜后期实验培养琼脂硬度以及表面粗糙度。根据实验结果，10g/L以及12g/L浓度琼脂培养基中主根生长量适宜，侧根密度以及生长长度便于后续试验。第二部分研究不同机械刺激下导致的拟南芥根系表型，采取10g/L以及12g/L浓度琼脂培养基对拟南芥进行倾斜培养，角度采取与水平面倾斜30°、45°、60°、75°。同样通过主根生长量以及曲率比，侧根数量以及侧根密度挑选合适角度，在取得主根适宜生长长度的同时取得最显著波形生长，则确定最佳培养浓度及施加机械刺激倾斜角。第三部分为抑制剂的添加对机械刺激作用下拟南芥根系的表型影响。极性运输抑制剂选择了0.5μM、1.0μM、1.5μM、2.0μM浓度的NPA（邻氨苯甲酸钠，N-1-Naphthylphthalamic acid）以及0.5μM、1.0μM、1.5μM、2.0μM浓度的1-NOA（萘氧乙酸，1-naphthoxyacetic acids）来处理。对主根轨迹长度和直线长度的分析数据表明0.5μM NPA对拟南芥的主根并没有明显的抑制作用，当浓度等于或高于1.0μM时主根的轨迹长度和直线长度均受到明显抑制，表现出同步的受抑制趋势。1-NOA的添加对拟南芥根的生长有一定的抑制作用，侧根数量减少，并且随着培养基中1-NOA浓度的增加对侧根的抑制作用逐渐加强。但是对于主根的生长一直不是很明显，并未见显著抑制。并且所有的实验组仍然具有非常明显的波形生长现象。
　　实验表明不同浓度不同倾斜角度的琼脂培养基对拟南芥主根的生长以及侧根都有显著的影响，随着培养基中琼脂浓度的增加，培养基的硬度增大，表面粗糙度改变，主根的长度降低，植物生长明显受到抑制。不同强度的持续性的机械刺激对拟南芥根系的生长发育具有重要的影响。极少量NPA的添加能够在一定程度上中和机械刺激所造成的形变，大于1.0μM的NPA对主根有显著的抑制作用，并且对侧根的生长表现出强烈的抑制作用。1-NOA的添加对主根的抑制作用不明显，但是降低了对机械刺激的敏感性，造成更大的波形生长，并对侧根有一定抑制作用。不同浓度和作用的生长素极性运输抑制剂的实验结果间存在差异，说明细胞内外的生长素含量的差异在受机械刺激的根系的形态建成和生长发育中有显著作用。

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目录

1 绪 论

1.1课题提出和研究意义

1.2研究内容

1.3技术路线

2 研究体系的优化与建立

2.1引言

2.2实验材料与方法

2.3 实验结果

2.4结论

3 机械刺激对拟南芥根系的生长表型的影响

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.3实验结果

3.4 讨论

4 生长素极性运输抑制剂的添加对机械力作用下拟南芥根系生长表型的影响

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

4.3 实验结果

4.4 讨论

5 生长素极性运输抑制剂的添加对机械力作用下拟南芥侧根原基的影响

5.1 引言

5.2 实验材料与方法

5.3 实验结果

5.4 讨论

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续工作展望

7 文献综述

7.1 植物的机械响应机理研究进展

7.2 植物生长素功能和作用

7.3 生长素极性运输载体

7.4 新型生长素运输载体PILS蛋白

致谢

参考文献

附录